Czy masa może być ujemna przez analogię z ładunkiem elektrycznym - naukowcy próbują się tego dowiedzieć od ponad stu lat. Ostatnio udało nam się uzyskać dziwną substancję, która zachowuje się tak, jakby jej masa była ujemna. Otwiera to nowy obszar badań.
Jak ustabilizować tunel czasoprzestrzenny
Wormhol nie żyje długo w czasoprzestrzeni. Jego szyja zapada się pod wpływem grawitacji, nie mając nawet czasu na przejście przez promień światła. Aby było przejezdne, potrzebna jest substancja o ujemnej masie, która wywołuje efekt antygrawitacyjny - tzw. Materia egzotyczna. Poprzez podobny tunel czasoprzestrzenny możesz dostać się do innego wszechświata. Pomysł ten został wykorzystany w filmie science fiction „Interstellar” - za namową amerykańskiego fizyka teoretyka, laureata Nagrody Nobla Kipa Thorne'a.
„Kip Thorne jest fundamentalnym fizykiem, więc zapomina o technologii. Ile energii potrzeba do tego? Jak zapewnić wykorzystanie nadwyżki ciepła dla takiej elektrowni? W fizyce teoretycznej dużo jest dozwolone, ale każda rzeczywista technologia podlega ograniczeniom w postaci zasad termodynamiki, prawa zachowania energii, specjalnej teorii względności. Przypomina mi to fantazje sprzed stu lat, kiedy wierzono, że każdą substancję można zamienić w czystą energię i polecieć na niej do gwiazd. Teoretycznie tak, każdy. I praktycznie - tylko uran, pluton i deuterek litu, ale są też z nimi duże problemy”- komentuje RIA Novosti Anton Pervushin, pisarz science fiction, specjalista w dziedzinie historii kosmonautyki.
Polowanie z prędkością światła
Jeśli zwykłe ciała przyciągają wszystko, to ciała z ujemnym odpychaniem masy. Czy materia z tak dziwną własnością może istnieć w przyrodzie? W 1954 roku fizyk Herman Bondi z Cambridge wykazał teoretycznie, że nie ma przepisów zakazujących stosowania substancji o ujemnej masie. Jak pisze fizyk Richard Hammond z University of North Carolina, cząstka zwykłej materii musi uciec od cząstki o ujemnej masie i ta cząstka ją ściga. Taka para zacznie przyspieszać, stopniowo zbliżając się do prędkości światła. Czy można to wykorzystać do stworzenia silnika dla statku międzyplanetarnego? „Niestety, pomysł jest szalony. Wraz z przyspieszeniem masa rośnie - zgodnie ze specjalną teorią względności. Co więcej, gdy zbliża się do prędkości światła, masa dąży do nieskończoności. Dzięki czemu ujemna masa „odpychającej” cząstki wzrośnie,i ad infinitum? W rzeczywistości cząsteczki te będą się odpychać i rozpraszać, dopóki nie znajdą się poza granicami ich pól grawitacyjnych, a tam albo będą kontynuować swój swobodny lot, albo oddziaływać z innymi cząstkami”- mówi Pervushin.
Cząstka o ujemnej masie grawitacyjnej ściga zwykłą cząstkę. Ilustracja: RIA Novosti. Depositphotos / vectorcreator.
Film promocyjny:
Wbrew wszelkiej intuicji
W 2017 roku artykuł amerykańskich fizyków z Washington State University, który otrzymał w laboratorium dziwną substancję, która nie przyspieszała w kierunku, w którym została wypchnięta, zgodnie z drugim prawem Newtona, narobił wiele hałasu. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy masa bezwładności jest ujemna. Przy pomocy lasera fizycy wytworzyli nadciek atomów rubidu, schłodzili je do temperatury niemal zera absolutnego i powstał szczególny stan skupienia - tzw. Kondensat Bosego-Einsteina, w którym atomy poruszają się bardzo wolno. Za pomocą tego samego lasera chmura kondensatu Bosego-Einsteina została niejako zamknięta w oddzielnym obszarze przestrzeni i zmuszona do zmiany spinu - jest taka kwantowa charakterystyka cząstek. Im bardziej pchana ta chmura, tym bardziej przyspieszała w kierunku przeciwnym do przyłożonej siły. Jakby tenisista uderzał piłkę i leciała w jego stronę,a nie przeciwnikowi.
Aby odbić piłkę z substancji o ujemnej masie w kierunku przeciwnika, tenisista musi jeszcze mocniej docisnąć ją do siebie. Ilustracja: RIA Novosti. Alina Polyanina, Depositphotos / blueringmedia.
Wyniki te wyjaśnili teoretycy z Australii, Wielkiej Brytanii i Rosji. Jednak w tym przypadku mówimy o masie efektywnej - matematycznym rozwiązaniu przy opisie kondensatu Bosego-Einsteina, a nie o podstawowej własności materii. Elektron w krysztale uzyskuje ujemną masę skuteczną w wyniku oddziaływania spin-orbita - mówi Siergiej Baranow, doktor nauk fizycznych i matematycznych, główny badacz w Laboratorium Oddziaływania Promieniowania z Materią Instytutu Fizycznego im. Lebiediewa. „Rozważmy satelitę na orbicie. Jeśli spróbujemy go spowolnić (przyłożyć siłę wbrew prędkości), satelita przesunie się na niższą orbitę i jego prędkość nie spadnie, ale wzrośnie. I energia kinetyczna, pomimo wykonanej na niej negatywnej pracy. A jeśli przyspieszymy satelitę, popychając go od tyłu, prędkość spadnie - no cóż, co nie jest ujemną masą. W rzeczywistości paradoksalny zysk (lub strata) energii kinetycznej jest kompensowany utratą (lub zyskiem) energii potencjalnej - ponieważ satelita znajduje się w polu grawitacyjnym. Ujemna masa efektywna jest wynikiem interakcji z otoczeniem (a nie jest to możliwe bez środowiska zewnętrznego), czy to kryształu, czy pola grawitacyjnego, czy innego zewnętrznego pola. Ale we współczesnej fizyce jest mocniejsze stwierdzenie: każda masa jest zawsze wynikiem interakcji ze środowiskiem”- wyjaśnia Siergiej Baranow. Ale we współczesnej fizyce jest mocniejsze stwierdzenie: każda masa jest zawsze wynikiem interakcji ze środowiskiem”- wyjaśnia Siergiej Baranow. Ale we współczesnej fizyce jest mocniejsze stwierdzenie: każda masa jest zawsze wynikiem interakcji ze środowiskiem”- wyjaśnia Siergiej Baranow.
Tatiana Pichugina